PLC控制系統(tǒng)設(shè)計原則

　　1）實用性

　　實用性是控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則。工程師在研究被控對象的同時，還要了解控制系統(tǒng)的使用環(huán)境，使得所設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠滿足用戶所有的要求。硬件上要盡量的小巧靈活，軟件上應(yīng)簡潔、方便。

　　2）可靠性

　　可靠性是控制系統(tǒng)極其重要的原則。對于一些可能會產(chǎn)生危險的系統(tǒng)，必須要保證控制系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定、安全、可靠的運行，即使控制系統(tǒng)本身出現(xiàn)問題，起碼能夠保證不會出現(xiàn)人員和財產(chǎn)的重大損失。在系統(tǒng)規(guī)劃初期，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題，提出不同的設(shè)計方案，選擇一種非常可靠且較容易實施的方案；在硬件設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的重要程度，考慮適當(dāng)?shù)膫浞莼蛉哂啵辉谲浖O(shè)計時，應(yīng)采取相應(yīng)的保護措施，在經(jīng)過反復(fù)測試確保無大的疏漏之后方可聯(lián)機調(diào)試運行。

　　3）經(jīng)濟性

　　這要求工程師在滿足實用性和可靠性的前提下，應(yīng)盡量使系統(tǒng)的軟、硬件配置經(jīng)濟、實惠，切勿盲目追求新技術(shù)、高性能。硬件選型時應(yīng)以經(jīng)濟、合用為準(zhǔn)；軟件應(yīng)當(dāng)在開發(fā)周期與產(chǎn)品功能之間作相應(yīng)的平衡。還要考慮所使用的產(chǎn)品是否可以獲得完備的技術(shù)資料和售后服務(wù)，以減少開發(fā)成本。

　　4）可擴展性

　　這要求工程師，在系統(tǒng)總體規(guī)劃時，應(yīng)充分考慮到用戶今后生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進的需要，在控制器計算能力和I/O端口數(shù)量上應(yīng)當(dāng)留有適當(dāng)?shù)脑Ａ?，同時對外要留有擴展的接口，以便系統(tǒng)擴展和監(jiān)控的需要。

　　5）先進性

　　這要求工程師在硬件設(shè)計時，優(yōu)先選用技術(shù)先進，應(yīng)用成熟廣泛的產(chǎn)品組成控制系統(tǒng)，保證系統(tǒng)在一定時間內(nèi)具有先進性，不致被市場淘汰。此原則與經(jīng)濟性共同考慮，使控制系統(tǒng)具有較高的性價比。

　　PLC控制系統(tǒng)設(shè)計流程

　　設(shè)計控制系統(tǒng)時應(yīng)遵循一定的設(shè)計流程，掌握設(shè)計流程，可以增加控制系統(tǒng)的設(shè)計效率和正確性。PLC控制系統(tǒng)的一般設(shè)計流程如圖1-1所示：

　　圖1-1  PLC控制系統(tǒng)設(shè)計流程圖

　　被控對象的分析與描述

　　分析被控對象就是要詳細分析被控對象的工藝流程，了解其工作特性。此階段一定要與用戶進行深入的溝通，確保分析的全面而準(zhǔn)確。在控制系統(tǒng)設(shè)計時，往往需要達到一些特定的指標(biāo)和要求，即滿足實際應(yīng)用或是客戶需求。在分析被控對象時，必須考慮這些指標(biāo)和要求。在全面的分析之后，就需要按照一定的原則，準(zhǔn)確地用工程化的方法描述被控對象，為控制系統(tǒng)設(shè)計打好基礎(chǔ)。

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　　1）系統(tǒng)規(guī)模

　　根據(jù)被控對象的工藝流程、復(fù)雜程度和客戶的技術(shù)要求確定系統(tǒng)的規(guī)模，可以分為大、中、小三種規(guī)模。確保硬件資源有一定裕量而不浪費。

　　小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)適用于單機或小規(guī)模生產(chǎn)過程，以順序控制為主，信號多為開關(guān)量，且I/O點數(shù)較少（低于128點），精度和響應(yīng)時間要求不高。一般選用S7-200就可達到控制要求

　　中等規(guī)模控制系統(tǒng)適用于復(fù)雜邏輯和閉環(huán)控制的生產(chǎn)過程，I/O點數(shù)較多（128點到512點之間），需要完成某些特殊功能，如PID控制等。一般選用S7-300等。

　　大規(guī)模控制系統(tǒng)適用于大規(guī)模過程控制、DCS系統(tǒng)和工廠自動化網(wǎng)絡(luò)控制，I/O點數(shù)較多（高于512點），被控對象的工藝過程較復(fù)雜，對于精度和響應(yīng)時間要求較高。應(yīng)選用具有智能控制、高速通信、數(shù)據(jù)庫、函數(shù)運算等功能的高檔PLC，如S7-400等。

　　2）硬件配置

　　根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和客戶的技術(shù)對控制系統(tǒng)I/O點數(shù)進行估算。分析被控對象工藝過程，統(tǒng)計系統(tǒng)I/O點數(shù)和I/O類型。按照設(shè)備和生產(chǎn)區(qū)域的不同進行劃分，明確各個I/O點的位置和功能。再加上10%～20%的備用量列出詳細的I/O點清單。

　　3）軟件配置

　　根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計要求選擇適合的軟件，包括系統(tǒng)平臺軟件、編程軟件。

　　上位機監(jiān)控軟件的選擇。首先需考慮監(jiān)控的點數(shù)限制；是否有報警顯示、趨勢分析、報表打印以及歷史記錄功能。

　　4）控制功能

　　要正確的進行控制系統(tǒng)的規(guī)模選擇，首先要了解各家控制器的特性，比如性能參數(shù)、應(yīng)用場合、行業(yè)解決方案，以及可靠性和通用性等。如何選擇一個控制系統(tǒng)，一般遵循以下幾點：

　　控制系統(tǒng)是否需要冗余、I/O信號模塊是否需要冗余、通訊是否需要冗余。

　　控制點數(shù)有多少，包括數(shù)字量輸入和輸出點數(shù)、模擬量輸入和輸出點數(shù)。

　　被控對象工藝是否復(fù)雜，是否需要實現(xiàn)特殊功能，比如防喘控制等。

　　系統(tǒng)正常運行時，控制器的負載率是否有足夠的工作裕量；I/O信號點是否需要一定的余量。

　　針對數(shù)字信號，是否需要繼電器隔離；考慮輸入信號的電壓和電流等級；輸出信號是否需要固態(tài)繼電器輸出。

　　針對模擬量信號，是否需要安全隔離柵；信號的類型，電壓型還是電流型；電壓和電流的測量范圍。不一樣的信號類型，需要選擇不一樣的I/O信號模塊。

　　用于溫度測量的信號模塊，考慮是熱電阻還是熱電偶。

　　信號模塊是否需要在線帶電插拔更換。如果需要，還需考慮附加特殊的背板插槽。

　　當(dāng)系統(tǒng)和外部出現(xiàn)故障時，比如信號短路或鍛爐，這時信號模塊是否需要將輸入輸出信號自動切換到預(yù)先設(shè)置的安全值。如有要求，需考慮選用故障安全型的控制器和信號模塊。

　　當(dāng)需要和第三方設(shè)備通訊時，需考慮通訊距離的長短，以及相應(yīng)的通訊接口協(xié)議等，選用不同的通訊模塊。

　　針對系統(tǒng)中的重要連鎖信號，是否需要特殊的SOE模塊，來記錄信號變化的時間先后順序。

　　熟悉被控對象是設(shè)計控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。只有深入了解被控對象以及被控過程，才能夠提出合理科學(xué)的控制方案。

　　1）分析被控對象。詳細分析被控對象的工藝流程，了解其工作特性。此階段一定要與用戶進行深入的溝通，確保分析得全面而準(zhǔn)確。

　　2）畫出工藝流程圖。經(jīng)過第一步，應(yīng)對被控對象的整個工藝流程有了深入的了解，為了更直觀、簡潔的表示，畫出工藝流程圖，為后面的系統(tǒng)設(shè)計做準(zhǔn)備。

　　3）分析并明確控制任務(wù)。根據(jù)已經(jīng)做好的工藝流程圖，工程師可以把用戶提出的控制要求轉(zhuǎn)換為專業(yè)術(shù)語，對其逐一進行分解，并從控制的角度將其中的要求轉(zhuǎn)化為多個控制回路。對于過程控制系統(tǒng)可用PID圖來表示其中的控制關(guān)系。

　　PLC控制系統(tǒng)總體設(shè)計

　　在控制系統(tǒng)設(shè)計之前，需要對系統(tǒng)的方案進行論證。主要是對整個系統(tǒng)的可行性作一個預(yù)測性的估計。在此階段一定要全面地考慮到設(shè)計和實施此系統(tǒng)將會遇到的各種問題。如果沒有做過相關(guān)項目的經(jīng)驗，應(yīng)當(dāng)在實地仔細考察，并詳細地論證設(shè)計此系統(tǒng)中的每一個步驟的可行性。特別是在硬件實施階段中，稍有不慎，就會造成很大的麻煩，輕則系統(tǒng)不成功，重則會造成嚴(yán)重的人員和財產(chǎn)的損失。工程實施的過程中的阻礙，往往都是由于這一步?jīng)]有做足工夫而導(dǎo)致的。

　　系統(tǒng)的總體設(shè)計關(guān)系到整個系統(tǒng)的總體構(gòu)架，每個細節(jié)都必須經(jīng)過反復(fù)斟酌。首先要能夠滿足用戶提出的基本要求；其次是確保系統(tǒng)的可靠性，不可以經(jīng)常出現(xiàn)故障，就算出現(xiàn)故障也不會造成大的損失；然后在經(jīng)濟性等方面予以考慮。

　　一般來說，在系統(tǒng)總體設(shè)計時，需要考慮下面幾個問題：

　?。?）確定系統(tǒng)是用PLC單機控制，還是PLC聯(lián)網(wǎng)控制；確定系統(tǒng)是采用遠程I/O還是本地I/O。主要根據(jù)系統(tǒng)的大小及用戶要求的功能來選擇。對于一般的中小型過程控制系統(tǒng)來說，PLC單機控制已基本能夠滿足功能要求。但也可借鑒集散控制系統(tǒng)的理念，即將危險和控制分散，管理與監(jiān)控集中。這樣可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。

　?。?）是否需要與其它部分通信。一個完整的控制系統(tǒng)，至少會包括三個部分：控制器、被控對象和監(jiān)控系統(tǒng)。所以對于控制器來說，至少要跟監(jiān)控系統(tǒng)之間進行通訊。至于是否跟另外的控制單元或部門通訊要根據(jù)用戶的要求來決定。一般來說，如果用戶沒有要求，也都會留有這樣的通訊接口。

　?。?）采用何種通信方式。一般來說，在現(xiàn)場控制層級用PROFIBUS DP；而從現(xiàn)場控制層級到監(jiān)控系統(tǒng)的通訊用PROFINET。但有時候也可互相通用，根據(jù)具體情況選擇合適的通信方式。

　?。?）是否需要冗余備份系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的所要求的安全等級，選擇不同的辦法。在數(shù)據(jù)歸檔時，為了讓歸檔數(shù)據(jù)不丟失，可以使用OS服務(wù)器冗余；在自動化站（Automation Station，AS），為了使系統(tǒng)不會因故障而導(dǎo)致停機或不可預(yù)知的結(jié)果，可以使用控制器冗余備份系統(tǒng)。選擇適當(dāng)?shù)娜哂鄠浞荩梢允瓜到y(tǒng)的可靠性得到大幅提高。

　　在進行控制系統(tǒng)選型之前，首先考慮系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是怎樣搭建的，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-2所示。

　　確定系統(tǒng)的操作站、過程控制站的數(shù)目和位置，相互之間是怎樣連接的。是否需要工業(yè)以太網(wǎng)交換機。

　　一般情況下，現(xiàn)場控制室和主控制室與電氣控制柜分別安放在兩個地方，且距離較遠，為保證信號的穩(wěn)定可靠，會考慮用光纜來連接各自的交換機。同時，為了通訊線路的冗余，會考慮選用帶榮譽管理功能的工業(yè)以太網(wǎng)交換機，將現(xiàn)場操作站和過程控制站組成一個光纖環(huán)網(wǎng)。這樣，即使有一個方向的通訊斷開，也可通過另一個方向繼續(xù)通訊。

　　對于過程控制站和現(xiàn)場信號之間的連接，傳統(tǒng)的連接方式是將現(xiàn)場信號直接通過硬件連接到過程控制站上。這樣如果距離太遠，信號傳輸會有損耗，尤其是模擬量信號。且當(dāng)信號點很多時，布線也較復(fù)雜，浪費材料。所以，一般需在現(xiàn)場安裝分布式I/O從站（如果現(xiàn)場為危險區(qū)，需選用本質(zhì)安全型的分布式I/O從站），將現(xiàn)場信號直接連接到I/O從站上，在通過現(xiàn)場總線的方式將信號傳送到過程控制站。

　　PLC作為實現(xiàn)自動化的重要基礎(chǔ)，了解、學(xué)習(xí)PLC成為了進入工控領(lǐng)域的一大敲門磚。